Спектрофотометрические газоанализаторы на примере ИКС-29

Схема оптико-акустического газоанализатора

Оптико-акустический газоанализатор [10] с дифференциальной оптической схемой состоит, в основном, из двух идентичных оптических каналов, дифференциального фотоприемника и двух источников инфракрасного излучения 1 (рис. 35), излучение от которых направляется с помощью вогнутых зеркал 2 в оптические каналы. В оптические каналы системы поступает как прямое излучение, так и излучение, отражаемое зеркалами. Потоки излучения прерываются обтюратором 4 с частотой несколько герц. Прерывание происходит всегда в одной и той же фазе. 9, 10 - лучеприемные цилиндры лучеприемного устройства; 11 - мерная камера с конденсаторным микрофоном. Светлые стрелки соответствуют поглощению сопутствующих (неопределяемых) компонентов контролируемой газовой смеси, темные - поглощению компонента, концентрация которого определяется.

Рисунок 115. Дифференциальная оптическая схема оптико-акустического газоанализатора: 1 – излучатели; 2 - отражатели; 3 - двигатель модулятора; 4 - диск модулятора; 5 - рабочая камера; 6 - сравнительная камера; 7, 8 - фильтровые камеры;

В первом канале системы находится рабочая камера 5, через которую непрерывно протекает газовая смесь. Симметрично, в левом канале расположена сравнительная камера 6, которую обычно заполняют азотом или чистым воздухом и герметически закрывают. Обе эти камеры именуют газовыми. На пути потоков излучения, за рабочей 5 и сравнительной 6 газовыми камерами, могут быть расположены так называемые фильтровые камеры 7, 8.

Пройдя газовые 5, 6 и фильтровые 7, 8 камеры, оба потока излучения попадают в лучеприемное устройство 9,10,11. Оно состоит из двух камер, называемых иногда лучеприемными цилиндрами 9, 10, в которых поглощаются потоки излучения, и мерной камеры 11, разделенной упругой мембраной микрофона на две половины, каждая из которых соединена с соответствующим цилиндром. Лучеприемные цилиндры 9, 10 герметически закрыты окнами, пропускающими инфракрасное излучение. Лучеприемное устройство (цилиндры и мерную камеру) заполняют газовой смесью, состоящей из измеряемого компонента и азота или воздуха.

Поток инфракрасного излучения при прохождении через рабочую газовую камеру 5 частично поглощается поступающей на анализ газовой смесью, в то время как в сравнительной камере 6 поглощения не происходит. Таким образом, в лучеприемные цилиндры 9, 10 лучеприемного устройства по двум каналам поступают потоки излучения, разность значения которых зависит от содержания измеряемого газа, протекающего через рабочую камеру. Под воздействием прерывистого излучения, поступающего в лучеприемные цилиндры, в последних возникают периодические колебания температуры заполняющего их газа и, соответственно, его давления. Давление газа преобразуется конденсаторным микрофоном, установленным в мерной камере лучеприемного устройства, в напряжение переменного тока, которое усиливается и регистрируется.

Чтобы уменьшить влияние на показания газоанализатора изменения содержания в анализируемой газовой смеси неопределяемых компонентов, ими заполняют фильтровые камеры 7, 8. Часть энергии излучения, соответствующая полосам поглощения неопределяемых компонентов, поглощается в фильтровых камерах обоих каналов и в лучеприемное устройство не поступает.

Оптико-акустические газоанализаторы основаны на одновременном использовании ряда физических явлений, главными из которых являются:

1) избирательное поглощение инфракрасного потока излучения большинством газов и паров, зависящее от толщины слоя газа, в котором происходит поглощение;

2) возбуждение акустических колебаний в замкнутом объеме, заполненном поглощающим газом, под воздействием модулированного с определенной частотой потока инфракрасного излучения.

Принцип действия спектрофотометра ИКС-29 при работе по двухлучевой схеме основан на нулевом методе измерений.

Рисунок 116. Схема двухлучевого одноканального спектрофотометра:

1 – источник; 2 -.рабочая кювета; 3 - модулятор; 4 - монохроматор; 5 - приемник излучения; 6 -усилитель-преобразователь; 7 - фотометрический клин; 8 - регистратор; 9 - образец сравнения.

Излучение от источника 1 (рис. 43) направляется двумя пучками, в одном из которых помещается газовая кювета 2, в другом - фотометрический клин 7 и образец сравнения 9. Оба пучка направляются на модулятор 3, который попеременно пропускает их в монохроматор 4. При отсутствии поглощения в обоих пучках на приемник (болометр) 5 попадают потоки излучения одинаковой величины. На входе усилительной системы 6 при этом сигнал отсутствует.

При наличии поглощения в одном из пучков на болометр попадают потоки различной величины, в результате чего возникает переменный сигнал, частота которого равна частоте прерывания. Этот сигнал после усиления и преобразования подается на обмотку электродвигателя обработки, который перемещает фотометрический клин 7, уменьшая до нуля возникшую разность потоков в пучках. Регистрация величины пропускания осуществляется самописцем 8.Излучение от источника 1 (рис. 44) разделяется сферическими зеркалами 2, 3, 4, 5 на пучки I и II. В плоскость, в которой установлены компенсирующий клин 6 и фотометрический клин 7, проецируется изображение источника с увеличением 1,85.

Излучение, отраженное зеркалами 8, 9, 10 и зеркальной поверхностью модулятора 11, направляется на торическое зеркало 12 и плоское зеркало 13. Прерываемые модулятором пучки оптического излучения попеременно проецируют изображение источника излучения на входной щели 14 монохроматора с увеличением 1,42.

Рисунок 117. Оптическая схема спектрофотометра ИКС-29:

1 – глобар; 2, 3, 4, 5 - сферические зеркала; 6 - компенсирующие клинья; 7 - фотометрический клин; 8, 9, 10 - плоские зеркала; 11 - прерыватель (модул тор);12 - торическое зеркало; 13 - плоское зеркало; 14 - выходная щель; 15, 17, 19, 21 - плоские зеркала; 16 - объектив; 18 - дифракционная решетка; 20 - выходная щель; 22 - эллиптическое зеркало; 23 - болометр; 24 - интерференционные фильтры.

Пройдя входную щель 14, оптическое излучение плоским зеркалом 15 направляется на параболический объектив 16, в фокальной плоскости которого установлены входная и выходная щели. Отразившись от объектива, лучи параллельным пучком падают на плоское зеркало 17, которое направляет их на одну из двух сменных дифракционных решеток 18, разлагающих свет по длинам волн. Дифрагированный луч снова падает на плоское зеркало 17 и, отразившись от него, попадает на объектив 16, проецирующий с увеличением 1 изображение входной щели на выходную щель 20. Пройдя выходную щель, луч направляется плоским зеркалом 21 на эллиптическое зеркало 22, которое образует изображение выходной щели с увеличением 0,125 на приемной площадке болометра 23. В спектрофотометре используются две дифракционные решетки (реплики) с различными постоянными решетки. Первая решетка (150 штрихов на миллиметр) работает в диапазоне от 4200 до 1200 см^-1; вторая решетка (50 штрихов на миллиметр) работает в диапазоне от 1400 до 400 см^-1. Срезание высших порядков спектра, налагающийся на первый рабочий порядок, производится пятью интерференционными фильтрами 24, установленными за выходной щелью и работающими на пропускание. Смена решеток и интерференционных фильтров в заданных точках рабочего диапазона спектра осуществляется автоматически.